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1、18.1.1.1 物态之间的相变物态之间的相变l固相固相 液相液相（熔化）（熔化）l固相固相 气相气相（升华）（升华）l液相液相 固相固相（凝固）（凝固）l液相液相 气相气相（蒸发）（蒸发）l气相气相 液相液相（凝聚）（凝聚）l气相气相 固相固相（凝聚）（凝聚）此外还有：液相此外还有：液相A 液相液相B 固相固相A 固相固相B第1页/共34页28.1.1.2 按热力学分类按热力学分类l 一级相变一级相变 晶体的熔化、凝固、液相沉积、升华等。大部分的固态相变为一级相变。第2页/共34页3l二级相变二级相变超导态相变、磁性转变、部分无序有序转变等为二级相变。第3页/共34页48.1.1.3 按相变
2、机理分类按相变机理分类l扩散型相变扩散型相变 在在相相变变过过程程，发发生生成成份份变变化化，两两相相中中的的原原子子要要进进行行长长程程扩扩散散（如如固固溶溶体体脱脱溶溶反反应应、共共析析转转变变、沉沉淀淀析析出出反反应应等）。等）。l非扩散型相变非扩散型相变 在在相相变变过过程程，没没有有成成份份变变化化，没没有有原原子子扩扩散散，相相变变是是通通过过相相界界面面的的滑滑动动过过程程进进行行的的。新新相相的的长长大大速速度度极极快快，通通常常称称这这种种相相变变为为切切变变型型相相变变，如如马马氏氏体体相相变变、低低温温进进行的纯金属同素异构转变等。行的纯金属同素异构转变等。l半扩散型相变
3、半扩散型相变 介介于于扩扩散散型型和和非非扩扩散散型型之之间间的的扩扩散散（例例如如钢钢中中贝贝氏氏体体转变等）。转变等）。第4页/共34页58.2 组织转变的基本特征组织转变的基本特征8.2.1 相变的本质相变的本质l相变涉及到原子排列方式的变化；相变涉及到原子排列方式的变化；l新相与旧相之间存在界面；新相与旧相之间存在界面；l相变时存在阻力；相变时存在阻力；l为了促进相变的进行，需要足够的驱动力。为了促进相变的进行，需要足够的驱动力。第5页/共34页68.2.2 相变的驱动力（以凝固相变为例）第6页/共34页7第7页/共34页88.2.3 相的均匀形核相的均匀形核8.2.3.1 液相中的均
4、匀形核液相中的均匀形核均匀形核：在均一的液相中依靠自身的结构起伏和能量起伏形成新相核心的过程，也称为自发形核。假设条件：固相与液相的界面能是各向同性的；单位面积的界面能与固相尺寸无关。体积自由能差界面能第8页/共34页9 过冷度 T越大则r*（临界晶核 半 径）和 G*（形核功）越小，形核势垒越小，形核速率相对越大。r*G*第9页/共34页10结结论论：形成临界晶核时，体积自由能的下降值只能补偿表面能的2/3，还有1/3的表面能必须从能量起伏中获得。晶胚晶核表面自由能体积自由能第10页/共34页11能量起伏系统的能量分布有起伏，呈正态分布形式。能量起伏的含义：l 在瞬时各微观体积的能量不同；l
5、 某一微观体积不同瞬间的能量分布不同。在具有高能量的微观区域形核，可以全部补偿表面能，使G0。第11页/共34页12结结 论：论：只有在一定过冷度下、在高能区、尺寸大于r*的近程排列的原子集团可以形成固相的稳定核心（晶核），使系统吉布斯自由能降低，满足 G0的热力学条件。第12页/共34页13形核功因子原子扩散几率因子第13页/共34页148.2.3.2 固相中的均匀形核体积自由能差界面能体积应变能第14页/共34页15 界面能的大小取决于界面的结构和界面成分的变化。固态相变中形成的界面结构有三种形式，即共格界面、半共格界面和非共格界面。固态相变中，体积应变能来自新旧两相的比容差和界面结构两个
6、因素。应变能由两项组成，一项是由新相和旧相比容不同所产生的弹性应变能；另一项是由界面上两相晶格不匹配而产生的弹性应变能。界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，但在不同条件下，所起的主导作用不同。l 当新旧两相形成共格界面或半共格界面时，相变阻力主要是体积应变能。l 当新旧两相形成非共格界面时，相变阻力主要是界面能。第15页/共34页168.2.4 相的非均匀形核相的非均匀形核8.2.4.1 液相中的非均匀形核液相中的非均匀形核 液态金属过冷后，主要的形核障碍是晶核的液固相界面使系统自由能升高。如果晶核依附于已存在的界面上形成时，就有可能使界面能降低，从而使形核功降低。非均匀形核：依附于液相中
7、某些固体表面（外来夹杂表面或容器壁）上形核的过程，也称为非自发形核。第16页/共34页17第17页/共34页18第18页/共34页19讨讨 论：论：l=0时时（完完全全润润湿湿），G*非非=0，固固体体表表面面相相当当于于现现成成的晶核，不需要临界形核功；（图的晶核，不需要临界形核功；（图a）l=时时（完完全全不不润润湿湿），G*非非=G*均均，固固体体表表面面对对晶晶胚成核没有促进作用；（图胚成核没有促进作用；（图c）l0 时时,0 G*非非 G*均均，非非均均匀匀形形核核需需要要的的临临界界形形核核功功小小于于均均匀匀形形核核，且且随随着着 的的减减小小而而下下降降。（图图b）第19页/共
8、34页20铝合金铸棒的横截面组织 右侧的铸棒中加入了晶粒细化剂（变质剂），全部都是细的右侧的铸棒中加入了晶粒细化剂（变质剂），全部都是细的等轴晶粒。等轴晶粒。第20页/共34页218.2.4.2 固相中的非均匀形核 固态相变时，各种晶体缺陷，如晶界、位错、相界、空位、层错等都可以作为择优形核的位置，这些晶体缺陷本身具有较高的能量，在这些位置形核，可以降低形核功，因此非均匀形核比均匀形核要容易得多，固态相变时的形核通常是非均匀形核。第21页/共34页22l 晶界形核晶界形核 设核心界面是非共格的、核心表面能与取向和自身曲率无关，并忽略应变能，那么在晶界上形成的核心是球冠状。这时在晶界上形成晶胚的
9、能量变化 Gb为：形核功：临界晶核半径：第22页/共34页23l 位错形核位错形核位错促进形核的主要原因有三方面：非共格形核时，可使位错的能量释放，而使形核 功减小。共格或半共格形核时，作为界面位错补偿两相界面晶格失配，使所需消耗的界面能降低。母相中溶质原子在位错线上偏聚，形成柯氏气团，当新相成分不同于母相时，溶质的偏聚则有利于新相在位错线上沉淀而析出。第23页/共34页24第24页/共34页25l 空位形核空位形核 空位及空位群对形核的促进作用通过两个途径，一是促进溶质原子的扩散，二是作为形核位置促进新相的沉淀析出。l 层错形核层错形核促进形核的原因：高能区 富集溶质第25页/共34页268
10、.2.5 基体析出物的内界面基体析出物的内界面8.2.5.1 共格界面 共格相界面存在着一定的晶格畸变，只是这种畸变不大，还不足以破坏其共格的形式。第26页/共34页278.2.5.2 半共格界面 在界面上形成一系列刃型位错，以补偿界面上原子间的不匹配性，使界面上的畸变和弹性应变能降至最低。第27页/共34页28第28页/共34页298.2.5.3 非共格界面 两相点阵类型或点阵常数具有很大差别时易出现。界面上的晶格畸变很小，但界面能较高。表8-1第29页/共34页308.2.6 新相的长大新相的长大l 新相长大的本质：新相界面向母相的迁动过程。l 新相长大速率与相变类型有关：对于非扩散型相变，新相的长大速率通过原子协调的整体运动使界面迁移，速度接近声速。对于扩散型相变，新相的长大速率取决于原子的扩散速率。第30页/共34页31扩散型相变的特点：l 新相形核要求称为孕育期的一段时间，孕育时间是过冷度的函数。在孕育期内测不出相变发生。l 核心一旦形成，新相开始发生长大，此时新相数量迅速增加。l 最后，由于母相将耗尽或生长相的相互接触使新相生长又变慢。数学表达式：X=1-exp-(kt)n （式8-12）第31页/共34页32构造等温转变图第32页/共34页33End第33页/共34页34感谢您的观看！第34页/共34页